范凱

摘 ?要：文章基于現(xiàn)階段，多電飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，所實(shí)踐的非相似余度混合作動(dòng)系統(tǒng)，對傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器、電動(dòng)靜液作動(dòng)器所構(gòu)建的作動(dòng)系統(tǒng)工作模式優(yōu)化展開研究。同時(shí)通過工況條件、系統(tǒng)功率特點(diǎn)、仿真參數(shù)分析等方式，對多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)新型工作模式的可行性做出簡單闡述，希望給予相關(guān)從業(yè)者建議與參考。

關(guān)鍵詞：多電飛機(jī);混合;作動(dòng)系統(tǒng);工作模式

中圖分類號(hào)：V227 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）20-0044-02

Abstract： This paper is based on the optimization of the working mode of actuation system constructed by traditional hydraulic actuators and electro-hydrostatic actuators in the non-similar redundancy mixed-action phase practiced in the structural design of the multi-electric aircraft flight control system at this stage. At the sametime， through working conditions， system power characteristics， simulation parameters analysis and other methods， the feasibility of the new working mode of the hybrid electric aircraft cooperative system is briefly described， in the hope of providing suggestions and references for relevant practitioners.

Keywords： multi-electric aircraft; mixing; actuation system; working mode

引言

我國現(xiàn)有多電飛機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)中，會(huì)利用具有穩(wěn)定性、性能優(yōu)勢明顯等特點(diǎn)的混合作動(dòng)系統(tǒng)，健全多電飛機(jī)飛行控制體系。在此背景下，為進(jìn)一步完善多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)功能，相關(guān)人員應(yīng)重視該系統(tǒng)工作模式的創(chuàng)新改進(jìn)工作。因此，本文對多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)工作模式優(yōu)化展開分析，旨在解決該系統(tǒng)運(yùn)行中，控制命令執(zhí)行能耗大、不同工況條件下工作效率難以保障等問題。

1 多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)概述

在全電飛機(jī)發(fā)展中，多電飛機(jī)是在多電理論、相關(guān)產(chǎn)品、技術(shù)革新中，所衍生出的過渡型飛機(jī)。由于多電飛機(jī)需通過混合能源驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，所以在多電飛機(jī)應(yīng)用中，應(yīng)預(yù)先建立混合作動(dòng)系統(tǒng)。而功率電傳、閥控液壓伺服作動(dòng)器是混合作動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部分，可用于飛機(jī)主飛行控制系統(tǒng)中。并且多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)，在維持系統(tǒng)安全、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，節(jié)約液壓源，以此減輕飛機(jī)重量，優(yōu)化多電飛機(jī)能源系統(tǒng)性能[1]。同時(shí)該系統(tǒng)基于非相似余度配置，可高效控制系統(tǒng)內(nèi)部故障。

2 混合作動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化思路

電動(dòng)靜液作動(dòng)器（EHA）、液壓作動(dòng)器（HA）所構(gòu)成的混合系統(tǒng)，其工作模式可分為“主動(dòng)+主動(dòng)”、“主動(dòng)+被動(dòng)”、“主動(dòng)+空載”等模式。該混合作動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。從圖1可見，多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部，含有的作動(dòng)通道互為對方的非相似余度。該種設(shè)置形式，可有效提高飛行系統(tǒng)穩(wěn)定性，且在不同應(yīng)用場景中，系統(tǒng)能耗特性存在一定差異性。結(jié)合其單通道能耗特點(diǎn)，可以看出電動(dòng)靜液作動(dòng)器，在面臨節(jié)流效應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)控制命令生成、執(zhí)行能耗明顯大于傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器。但是在多電飛機(jī)舵面需要在加載力度增加，以及舵面負(fù)載抗衡期間，將舵面控制在某一水平位置時(shí)，則電動(dòng)靜液作動(dòng)器能耗，卻小于傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器[2]。因此，多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化思路，是基于傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器、電動(dòng)靜液作動(dòng)器面臨不同工況時(shí)，其效率、能耗變化特點(diǎn)，改進(jìn)通道工作模式，以此將多電飛機(jī)能耗控制在合理范圍內(nèi)。

具體來說，在多電飛機(jī)飛行期間，按照其速度x、實(shí)際負(fù)載力y，將飛機(jī)工況確立在不同的四個(gè)象限內(nèi)。在飛機(jī)處于一、三象限的工況類型中，混合作動(dòng)系統(tǒng)能耗在面臨空氣阻力后，會(huì)進(jìn)入逆載狀態(tài)做正功。而在二、四象限，在空氣動(dòng)力影響下，飛機(jī)舵面會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng)現(xiàn)象，所以系統(tǒng)因空氣做功，面臨順載工況。由于多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)在順載情景中，電動(dòng)靜液作動(dòng)器能量回收難度較大，可通過正處于發(fā)電狀態(tài)的傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器，將能量轉(zhuǎn)化、回收。

3 多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)工作模式優(yōu)化

基于上述多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化思路，在創(chuàng)新系統(tǒng)工作模式時(shí)，相關(guān)人員可通過多電飛機(jī)負(fù)載力、活塞桿速度。探索混合作動(dòng)系統(tǒng)新型工作模式。并根據(jù)不同工況中的x、y變化數(shù)值變化，判斷子通道實(shí)際工作效率。同時(shí)在電能回饋環(huán)節(jié)，利用x、y的方向，辨別順載、逆載工況。具體來說，第一，默認(rèn)工作模式中，若電動(dòng)靜液作動(dòng)器為飛行控制系統(tǒng)的主要通道，而傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器為旁通。則在多數(shù)工況中，電動(dòng)靜液作動(dòng)器工作效率，明顯高于傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器。第二，判斷工況屬于逆載、順載，在順載時(shí)，若應(yīng)用默認(rèn)工作模式，并使用傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器完成能量回收工作。在逆載時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)更換條件，切換系統(tǒng)主、次通道，以此獲取多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器、電動(dòng)靜液作動(dòng)器在各類工況中的效率指數(shù)。

3.1 傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器、電動(dòng)靜液作動(dòng)器效率相關(guān)公式

結(jié)合多電飛機(jī)混合系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其輸出、輸入功率表達(dá)式η=×100%，求取傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器、電動(dòng)靜液作動(dòng)器效率值。其中Pout、Pin、η分別代表系統(tǒng)輸出、輸入功率與系統(tǒng)效率。而傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器工作效率計(jì)算公式為η=×100%=，x、y代表多電飛機(jī)負(fù)載力、活塞桿速度。電動(dòng)靜液作動(dòng)器工作效率計(jì)算公式為η=×100%=×100%，U、i為系統(tǒng)輸入電壓、電樞電流。

3.2 基于工作效率特點(diǎn)建立仿真模型

通常情況下，在分析多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)工作效率特點(diǎn)時(shí)，需預(yù)先使用速度x、負(fù)載力y，以及系統(tǒng)效率η，制作效率工作曲面。但由于此種方法實(shí)踐中，人工繪制曲面時(shí)總體工作量多，影響混合多動(dòng)系統(tǒng)效率計(jì)算進(jìn)度[3]。因此，可基于仿真技術(shù)，應(yīng)用MATLAB、AMESim軟件，建立仿真模型。相關(guān)人員可在MATLAB、AMESim軟件系統(tǒng)內(nèi)，輸入速度x、負(fù)載力y具體數(shù)值，在通信版塊將數(shù)值信息傳輸至MATLAB后，對混合作動(dòng)系統(tǒng)工作模型進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果，回傳至MATLAB。從而根據(jù)其軟件內(nèi)部所記錄的數(shù)據(jù)，繪制工作效率曲面。

具體來說，傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器仿真參數(shù)中，最大輸入電流為50m/A，等效阻尼比為0.8，且閥頻寬為59Hz。伺服閥等效增益，約為2.32×10-6，放大器增益為20，油液彈性模量1×1010pa。另外，傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器在仿真模型中，其活塞直徑變化為60mm，舵面的等效質(zhì)量4×105千克。而電動(dòng)靜液作動(dòng)器仿真參數(shù)中額定電壓、額定電流分別為270V、50A，電樞電阻是0.6Ω，電樞電感為59H。

根據(jù)傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器、電動(dòng)靜液作動(dòng)器仿真參數(shù)，使用曲線繪制對比不同工況中，系統(tǒng)效率變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，由于傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器、電動(dòng)靜液作動(dòng)器工作效率特點(diǎn)的差異性，在消毒指數(shù)大于65%時(shí)，電動(dòng)靜液作動(dòng)器工作效率明顯大于傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器。因此，在多數(shù)工況總，多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)靜液作動(dòng)器應(yīng)用優(yōu)勢較為明顯。并且該階段，傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器工作效率、負(fù)載力 y成正比，卻與速度x沒有作用關(guān)系。而電動(dòng)靜液作動(dòng)器則與速度x、負(fù)載力y，存在非線性關(guān)系。在速度x在50～100mm/s每秒時(shí)，負(fù)載力y為20～45kN時(shí)，該系統(tǒng)工作效率較高?；诖耍趦?yōu)化多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)工作模式的過程中，相關(guān)人員可按照各系統(tǒng)在不同工況中，其工作效率變化規(guī)律，靈活調(diào)整通道工作場景，以此減少飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)變得無功功率，增強(qiáng)系統(tǒng)能耗特性。

3.3 明確工況切換條件

為在多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用中建立自動(dòng)適應(yīng)工況的系統(tǒng)工作模式。相關(guān)人員需明確傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器、電動(dòng)靜液作動(dòng)器在面對不同工況時(shí)的切換條件。首先，可將上述系統(tǒng)，放置于同一工況場景中，對比其工作效率。實(shí)驗(yàn)顯示，在a、b、c工況中，電動(dòng)靜液作動(dòng)器在b工程場景中，工作效率較高，在a工況場景中，傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器工作效率高于電動(dòng)靜液作動(dòng)器。而面對c工況時(shí)，二者工作效率差異不明顯。所以在應(yīng)對c工況時(shí)，可集成應(yīng)用HA+EHA的工作模式，以增強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)、抗壓能力。其次，在實(shí)現(xiàn)混合作動(dòng)系統(tǒng)自適應(yīng)工況，可通過速度x、負(fù)載力y數(shù)值，協(xié)助系統(tǒng)判斷工況類型，從而切換系統(tǒng)通道。為此，相關(guān)人員可利用a、b、c工況場景的交界處，作為自適應(yīng)工況工作模式的切換依據(jù)。最后，在傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器、電動(dòng)靜液作動(dòng)器系統(tǒng)通道，工作效率均保持在高效狀態(tài)時(shí)，則系統(tǒng)能耗可控制在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合該系統(tǒng)組分中的傳統(tǒng)液壓作動(dòng)器、電動(dòng)靜液作動(dòng)器，在不同工況條件下的工作效率特性。嘗試建立自適應(yīng)工況的系統(tǒng)工作模式，并且在工程模式創(chuàng)新中，節(jié)約系統(tǒng)能源損耗。且仿真實(shí)驗(yàn)表明，該工程模式可行性較強(qiáng)，可用于多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)工作模式創(chuàng)新改進(jìn)中。因此，相關(guān)人員在混合作動(dòng)系統(tǒng)功能完善中，可利用此工作模式，凸顯多電飛機(jī)混合作動(dòng)系統(tǒng)功能優(yōu)勢。

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